H1: Glycolyse en gluconeogenese
1 Inleiding
Glycolyse = Embden-Meyerhof pathway
De sequentie van reacties dat één molecule glucose metaboliseert naar twee moleculen pyruvaat samen met de
productie van twee ATP.
Gluconeogenese =
Het proces waarbij glucose wordt gesynthetiseerd startend van een noncarbohydraat precursor zoals pyruvaat of lactaat.
1.1 Glucose als brandstof
Zetmeel en glycogeen (= polysachariden) omzetten naar glucose (= mono)→ niet vrij in voeding.
Voordelen glucose:
• Enige brandstofmolecule in hersenen onder ‘nonstarvation’ condities (kunnen geen vetten gebruiken) en is enige
brandstof in rode bloedcellen
• Kan gevormd worden onder pre-biotische voorwaarden (formose reactie) → geen levende organismen nodig →
fermentatie
• Ringstructuur zonder vrije aldehyde groep = stabiel
• Heeft geen zuurstof nodig → anaerobe ATP geproduceerd
1.2 Fermentatie
= Mechanisme van omzetting waarbij geen zuurstof aanwezig is.
Glucose wordt uiteindelijk omgezet naar 2 pyruvaat in de glycolyse. Verder wordt pyruvaat omgezet via fermentatie naar
ethanol (niet mens) of lactaat (mens).
Deze producten worden omgezet naar CO2 en H20 via complete oxidatie waarbij zuurstof nodig is.
1.3 Lot van glucose
Omzetting van glucose is afhankelijk van het soort weefsel:
Weefsel Start Eind 1 Eind 2 Eind 3 Eind 4 Reden
RBC Glucose Pentose fosfaat Lactaat Geen mitochondriën → glucose
(fibrose) (geen O2 is enige bron
aanwezig)
Hersencellen Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Mitochondriën
(CZC)
Hart- en Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Lactaat Glycogeen
spiercellen (Opslag
glucose)
Vetcellen Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Vet Glycogeen Overmaat glucose opslaan als
(Minder) vet
Levercellen Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Vet → Glycogeen Bloedglucose spiegel mee
of VLDL regelen → vrije glucose afzetten
glucuronide in bloed
1
,1.4 Glycolyse
= Katabole pathway = Productie van ATP
Bestaat uit 3 verschillende fasen:
Fase Naam Start Eind
1 Voorbereiding Glucose Fructose-1,6-bifosfaat (F1,6BF) 2 ATP omgezet naar 2ADP
3 enzymen
2 Splitsing: Fructose-1,6-bifosfaat 2 * Glyceraldehyde-3-fosfaat (GAP) 2 enzymen
6C → 2*3C (F1,6BP) en dihydroxyaceton fosfaat (DHAP)
3 Energie- Glyceraldehyde-3-fosfaat Pyruvaat 2 ADP omgezet naar 2ATP
productie (GAP) (dubbel door aankomst 2
molec. en maar 1 nodig)
Pi en NAD+ omgezet naar
NADH
5 enzymen
2 Opname van glucose in de cel via transporters
Opname = Carrier gemoduleerd
• Passief
➢ met de diffusie gradiënt mee= H→ L = ‘gefaciliteerde diffusie’
• Actief
➢ tegen de diffusie gradiënt in = L → H = ‘actief transport’
2.1 Gefaciliteerde diffusie (=passief transport)
Gebruikt reversibele glucose transporters (GLUT) aanwezig op celmembraan:
1. Bindt glucose extracellulair
2. Glut transporteert (opening naar intracellulair)
3. Dissociatie van glucose intracellulair
4. Transporter draait terug
Bestaat uit transmembraaneiwitten.
Transporteert naar lagere hoeveelheid glucose.
GLUT4 is de transporter in spieren en vetcellen, affiniteit bij 5mM glucose(bloed heeft meestal 4mM)
Werkt via exo/endocytose cyclus en gevoelig aan insuline signalisatie.
2.2 Actief transport
Gebruikt NA+/glucose symporters (SGLT):
1. Na+ bindt aan carrier in lumen nier/darm
→ Drijvende kracht van Na+ gradiënt
2. Binding zorgt voor vrijkomen glucose bindingsplaats
3. Glucose binding veroorzaakt carrier conformatie
→ naar epitheel gericht
4. Na+ dissocieert met ATP vrijkomen waardoor glucose volgt
5. Na+ uitgepompt via Na+/K+ ATPase antiporter → eigenlijke ATP verbruik
In darm en nier epitheel: zodat er geen glucose verloren gaat in stoelgang → glucose onttrokken uit urine naar epitheel
3 De glycolyse
2 ATP + glucose → 2 pyruvaat + 4 ATP
= netto 2 ATP winst
Zie bordschema 1 voor reacties
2
,3.1 Gebruikte enzymen
3.1.1 Fase 1 : Voorbereidingsfase = energieconsumptie
1. Hexokinase
Houdt glucose in de cel en start de glycolyse via een irreversibele omzetting.
Induced-fit model :
Binding glucose induceert een grote conformatie verandering van het enzym.
Vorming pocket → H2O zal ATP niet kunnen hydrolyseren anders ortho-fosfaat vorming
Alternatieven van hexokinase:
• Glucokinase (in lever)
➢ katalyseert ook fosforylatie van glucose naar glucose-6-P
➢ Verschillen:
▪ Lagere affiniteit voor glucose
▪ Niet gevoelig aan product inhibitie door glucose-6-P
▪ Vertoont een sigmoïdale kinetiek.
▪ Glucokinase zal enkel glucose-6-P vormen wanneer glucose concentraties hoog zijn.
• Xylose
➢ Geen 6e C → plaats voor water niet voor fosfaatgroep van ATP
➢ Versterkt het ondergaan van gewone ATP hydrolyse doordat er geen pocket gevormd werd
2. Phosphoglucose isomerase
Reversibel zuur base mechanisme met een reactie via een cis-enediol intermediair
Glucose ring wordt gebroken en tot open fructose gevormd en daarna tot 5-ring gemaakt. De fosfaatgroep zal aan de
zelfde C blijven gebonden.
3. Phosphofructokinase (PFK)
= Committed step → altijd irreversibel
Verbruikt ATP
-bi = 2 dezelfde moleculen op verschillende aanhangsels ; di = 2 verschillende moleculen op 1 aanhangsel
3.1.2 Fase 2 = Splitsing hexose in 2 triosen (6C → 2* 3C)
1. Aldolase
Doet de eigenlijke reversibele splitsing.
Vorming van 2 verschillende moleculen. Volgende fase gaat verder met 1 van de twee.
2. Triose fosfaat isomerase (TIM)
Tweede niet gebruikte moleculen uit vorige stap wordt omgezet naar het nodige moleculen.
Dus hierdoor wordt Fase 3 verdubbelt doordat er 2 nodige moleculen beschikbaar zijn.
Reactie ligt theoretisch (via ∆G) meer naar links. Geen probleem:
• Kq= GAP/DHAP = 4.73x10-2
• GAP wordt constant gebruikt en DHAP niet waardoor het evenwicht altijd naar rechts zal liggen (= vorming GAP)
3.1.3 Fase 3 = Energie productie
Oxidatie reacties worden gekoppeld aan de fosforylatie van ADP naar ATP (substraat level fosforylatie)
3
, 1. Glyceraldehyde-3-phosfaat dehydrogenase
Zorgt ervoor dat er een hoog fosfaat transfer potentiaal molecule gevormd wordt waardoor later ADP kan worden
omgezet naar ATP.
Hierbij ontstaat thioester intermediair voor deze wordt omgezet naar eindproduct van deze stap
Pi zal koppelen door oxidatie waarbij energie vrijkomt → transfer
Bevat een pocket voor NADH binding
2. Phosfoglyceraat kinase
Eerste ATP molecule gevormd. Haalt fosfaatgroep
van molecule en zet deze op ADP → ATP.
3. Phosfoglyceraat mutase
Fosfaatgroep wordt van C3 naar C2 gezet. Werkingsmechanisme:
• Enzym wordt geactiveerd door fosforylatie histidine in katalytische site
• Fosfaatgroep aan histidine wordt op het molecule geplaatst op C2
• Fosfaatgroep van C3 wordt er af gehaald door histidine aan enzym
4. Enolase
Water wordt onttrokken waardoor een dubbele binding gevorm kan worden.
5. Pyruvaat kinase
Pyruvaat en 2e ATP gevormd door omzetting via enol vorm van pyruvaat.
Dubbele binding tussenC2 en C3 is niet stabiel en zal verspringen naar C2 – O.Hierdoor komt er veel energie vrij.
3.2 Overzicht reactie
3.3 Behoudt redox balans
3.3.1 Lot pyruvaat
Pyruvaat wordt in verdere stappen verbruikt: zie bordschema 2:
• Micro-organismen:
➢ Fermentatie van pyruvaat tot
▪ Ethanol met CO2 en NAD+ productie
▪ Lactaat met NAD+ productie (O2 Arm)
o NAD+ nodig in stap 6 wanneer er geen O2 meer is
• Mens
➢ Fermentatie van pyruvaat tot Lactaat met NAD+ productie (O2 Arm)
▪ NAD+ nodig in stap 6 wanneer er geen O2 meer is
4
1 Inleiding
Glycolyse = Embden-Meyerhof pathway
De sequentie van reacties dat één molecule glucose metaboliseert naar twee moleculen pyruvaat samen met de
productie van twee ATP.
Gluconeogenese =
Het proces waarbij glucose wordt gesynthetiseerd startend van een noncarbohydraat precursor zoals pyruvaat of lactaat.
1.1 Glucose als brandstof
Zetmeel en glycogeen (= polysachariden) omzetten naar glucose (= mono)→ niet vrij in voeding.
Voordelen glucose:
• Enige brandstofmolecule in hersenen onder ‘nonstarvation’ condities (kunnen geen vetten gebruiken) en is enige
brandstof in rode bloedcellen
• Kan gevormd worden onder pre-biotische voorwaarden (formose reactie) → geen levende organismen nodig →
fermentatie
• Ringstructuur zonder vrije aldehyde groep = stabiel
• Heeft geen zuurstof nodig → anaerobe ATP geproduceerd
1.2 Fermentatie
= Mechanisme van omzetting waarbij geen zuurstof aanwezig is.
Glucose wordt uiteindelijk omgezet naar 2 pyruvaat in de glycolyse. Verder wordt pyruvaat omgezet via fermentatie naar
ethanol (niet mens) of lactaat (mens).
Deze producten worden omgezet naar CO2 en H20 via complete oxidatie waarbij zuurstof nodig is.
1.3 Lot van glucose
Omzetting van glucose is afhankelijk van het soort weefsel:
Weefsel Start Eind 1 Eind 2 Eind 3 Eind 4 Reden
RBC Glucose Pentose fosfaat Lactaat Geen mitochondriën → glucose
(fibrose) (geen O2 is enige bron
aanwezig)
Hersencellen Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Mitochondriën
(CZC)
Hart- en Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Lactaat Glycogeen
spiercellen (Opslag
glucose)
Vetcellen Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Vet Glycogeen Overmaat glucose opslaan als
(Minder) vet
Levercellen Glucose Pentose fosfaat Acetyl CoA Vet → Glycogeen Bloedglucose spiegel mee
of VLDL regelen → vrije glucose afzetten
glucuronide in bloed
1
,1.4 Glycolyse
= Katabole pathway = Productie van ATP
Bestaat uit 3 verschillende fasen:
Fase Naam Start Eind
1 Voorbereiding Glucose Fructose-1,6-bifosfaat (F1,6BF) 2 ATP omgezet naar 2ADP
3 enzymen
2 Splitsing: Fructose-1,6-bifosfaat 2 * Glyceraldehyde-3-fosfaat (GAP) 2 enzymen
6C → 2*3C (F1,6BP) en dihydroxyaceton fosfaat (DHAP)
3 Energie- Glyceraldehyde-3-fosfaat Pyruvaat 2 ADP omgezet naar 2ATP
productie (GAP) (dubbel door aankomst 2
molec. en maar 1 nodig)
Pi en NAD+ omgezet naar
NADH
5 enzymen
2 Opname van glucose in de cel via transporters
Opname = Carrier gemoduleerd
• Passief
➢ met de diffusie gradiënt mee= H→ L = ‘gefaciliteerde diffusie’
• Actief
➢ tegen de diffusie gradiënt in = L → H = ‘actief transport’
2.1 Gefaciliteerde diffusie (=passief transport)
Gebruikt reversibele glucose transporters (GLUT) aanwezig op celmembraan:
1. Bindt glucose extracellulair
2. Glut transporteert (opening naar intracellulair)
3. Dissociatie van glucose intracellulair
4. Transporter draait terug
Bestaat uit transmembraaneiwitten.
Transporteert naar lagere hoeveelheid glucose.
GLUT4 is de transporter in spieren en vetcellen, affiniteit bij 5mM glucose(bloed heeft meestal 4mM)
Werkt via exo/endocytose cyclus en gevoelig aan insuline signalisatie.
2.2 Actief transport
Gebruikt NA+/glucose symporters (SGLT):
1. Na+ bindt aan carrier in lumen nier/darm
→ Drijvende kracht van Na+ gradiënt
2. Binding zorgt voor vrijkomen glucose bindingsplaats
3. Glucose binding veroorzaakt carrier conformatie
→ naar epitheel gericht
4. Na+ dissocieert met ATP vrijkomen waardoor glucose volgt
5. Na+ uitgepompt via Na+/K+ ATPase antiporter → eigenlijke ATP verbruik
In darm en nier epitheel: zodat er geen glucose verloren gaat in stoelgang → glucose onttrokken uit urine naar epitheel
3 De glycolyse
2 ATP + glucose → 2 pyruvaat + 4 ATP
= netto 2 ATP winst
Zie bordschema 1 voor reacties
2
,3.1 Gebruikte enzymen
3.1.1 Fase 1 : Voorbereidingsfase = energieconsumptie
1. Hexokinase
Houdt glucose in de cel en start de glycolyse via een irreversibele omzetting.
Induced-fit model :
Binding glucose induceert een grote conformatie verandering van het enzym.
Vorming pocket → H2O zal ATP niet kunnen hydrolyseren anders ortho-fosfaat vorming
Alternatieven van hexokinase:
• Glucokinase (in lever)
➢ katalyseert ook fosforylatie van glucose naar glucose-6-P
➢ Verschillen:
▪ Lagere affiniteit voor glucose
▪ Niet gevoelig aan product inhibitie door glucose-6-P
▪ Vertoont een sigmoïdale kinetiek.
▪ Glucokinase zal enkel glucose-6-P vormen wanneer glucose concentraties hoog zijn.
• Xylose
➢ Geen 6e C → plaats voor water niet voor fosfaatgroep van ATP
➢ Versterkt het ondergaan van gewone ATP hydrolyse doordat er geen pocket gevormd werd
2. Phosphoglucose isomerase
Reversibel zuur base mechanisme met een reactie via een cis-enediol intermediair
Glucose ring wordt gebroken en tot open fructose gevormd en daarna tot 5-ring gemaakt. De fosfaatgroep zal aan de
zelfde C blijven gebonden.
3. Phosphofructokinase (PFK)
= Committed step → altijd irreversibel
Verbruikt ATP
-bi = 2 dezelfde moleculen op verschillende aanhangsels ; di = 2 verschillende moleculen op 1 aanhangsel
3.1.2 Fase 2 = Splitsing hexose in 2 triosen (6C → 2* 3C)
1. Aldolase
Doet de eigenlijke reversibele splitsing.
Vorming van 2 verschillende moleculen. Volgende fase gaat verder met 1 van de twee.
2. Triose fosfaat isomerase (TIM)
Tweede niet gebruikte moleculen uit vorige stap wordt omgezet naar het nodige moleculen.
Dus hierdoor wordt Fase 3 verdubbelt doordat er 2 nodige moleculen beschikbaar zijn.
Reactie ligt theoretisch (via ∆G) meer naar links. Geen probleem:
• Kq= GAP/DHAP = 4.73x10-2
• GAP wordt constant gebruikt en DHAP niet waardoor het evenwicht altijd naar rechts zal liggen (= vorming GAP)
3.1.3 Fase 3 = Energie productie
Oxidatie reacties worden gekoppeld aan de fosforylatie van ADP naar ATP (substraat level fosforylatie)
3
, 1. Glyceraldehyde-3-phosfaat dehydrogenase
Zorgt ervoor dat er een hoog fosfaat transfer potentiaal molecule gevormd wordt waardoor later ADP kan worden
omgezet naar ATP.
Hierbij ontstaat thioester intermediair voor deze wordt omgezet naar eindproduct van deze stap
Pi zal koppelen door oxidatie waarbij energie vrijkomt → transfer
Bevat een pocket voor NADH binding
2. Phosfoglyceraat kinase
Eerste ATP molecule gevormd. Haalt fosfaatgroep
van molecule en zet deze op ADP → ATP.
3. Phosfoglyceraat mutase
Fosfaatgroep wordt van C3 naar C2 gezet. Werkingsmechanisme:
• Enzym wordt geactiveerd door fosforylatie histidine in katalytische site
• Fosfaatgroep aan histidine wordt op het molecule geplaatst op C2
• Fosfaatgroep van C3 wordt er af gehaald door histidine aan enzym
4. Enolase
Water wordt onttrokken waardoor een dubbele binding gevorm kan worden.
5. Pyruvaat kinase
Pyruvaat en 2e ATP gevormd door omzetting via enol vorm van pyruvaat.
Dubbele binding tussenC2 en C3 is niet stabiel en zal verspringen naar C2 – O.Hierdoor komt er veel energie vrij.
3.2 Overzicht reactie
3.3 Behoudt redox balans
3.3.1 Lot pyruvaat
Pyruvaat wordt in verdere stappen verbruikt: zie bordschema 2:
• Micro-organismen:
➢ Fermentatie van pyruvaat tot
▪ Ethanol met CO2 en NAD+ productie
▪ Lactaat met NAD+ productie (O2 Arm)
o NAD+ nodig in stap 6 wanneer er geen O2 meer is
• Mens
➢ Fermentatie van pyruvaat tot Lactaat met NAD+ productie (O2 Arm)
▪ NAD+ nodig in stap 6 wanneer er geen O2 meer is
4
